Nature：刘家程/王东鹏等揭示AML化疗药物神经毒性的发生机制

急性髓系白血病（Acute Myeloid Leukemia, AML）是成年人中最常见的急性白血病，其主要特征为异常髓系白细胞的快速增殖，进而干扰正常造血功能。阿糖胞苷（Cytarabine, AraC）是AML化疗的核心药物，临床应用已逾55年。该药常与蒽环类药物如柔红霉素（Daunorubicin）联合使用，构成经典的“7+3”诱导缓解（remission induction）方案，即标准剂量阿糖胞苷连续输注7天，前3天同时给予柔红霉素。该方案可使50–70%的初治患者实现完全缓解（complete remission），但缓解通常难以持久。为降低复发风险，临床多采用高剂量阿糖胞苷（High-Dose Cytarabine, HIDAC）进行巩固治疗（consolidation）¹。

尽管高剂量阿糖胞苷可显著提高AML患者的无病生存期，其神经毒性，尤其是小脑共济失调（cerebellar ataxia），严重限制了其广泛应用。该药的神经致毒机制长期未明，已有研究提示阿糖胞苷可能通过干扰主动DNA去甲基化（active DNA demethylation），在神经元增强子（enhancer）区域引发基因组损伤^2,3。

近日，美国国立卫生研究院癌症研究所（NIH/NCI）André Nussenzweig实验室在Nature发表题为Mechanism of cytarabine-induced neurotoxicity的研究论文，系统揭示了阿糖胞苷诱导神经毒性的分子机制。研究发现，阿糖胞苷可在主动DNA去甲基化过程中掺入小脑浦肯野（Purkinje ）细胞一类高表达基因的基因体（gene body）区域，引发DNA双链断裂（DSBs），从而导致这些与运动协调（motor coordination）密切相关的基因表达显著下调，最终诱发小脑功能障碍。此外，该研究还指出另一种抗代谢类化疗药物吉西他滨（Gemcitabine, dFdC）可能有望作为AML 化疗的替代方案。

研究首先通过CRISPR干扰（CRISPR interference）筛选发现，敲降与DNA甲基化及去甲基化相关基因DNMT1、TDG和UHRF1，可显著增强神经元对阿糖胞苷的耐受性。进一步研究表明，阿糖胞苷可诱导神经元产生DNA损伤信号γH2AX及DNA 双链断裂，这一损伤依赖于TET/ TDG介导的主动去甲基化过程，并通过经典非同源末端连接（canonical-NHEJ）通路修复，这一非精确修复方式进一步导致染色体易位（chromosome translocations）和缺失（deletions）。体内实验显示，高剂量阿糖胞苷主要在小脑Purkinje细胞中诱发显著的γH2AX信号。作者通过流式分选获得Purkinje细胞并进行RNA-seq分析后发现，多个与运动协调及小脑共济失调相关的基因表达显著下调。这些易受损基因通常高度表达、染色质开放，富含开放染色质标记 H3K27ac，且其基因体区域在成年小鼠中仍持续发生主动 DNA去甲基化。这些表观遗传特征促使阿糖胞苷掺入此类基因的基因体区域，从而引发大量 DNA 双链断裂，进一步揭示了它们对阿糖胞苷高度敏感的分子基础。

为寻找具有替代潜力的药物，作者比较了另一结构类似的化疗药物吉西他滨，尽管吉西他滨也可引发TDG依赖的DNA单链断裂（SSBs），但由于其更易被DNA连接酶复合物XRCC1-LIG3修复，极少进展为双链断裂，因此对神经元毒性较低。体外重建的碱基切除修复（base excision repair）实验进一步验证了阿糖胞苷掺入后难以被高效连接，导致修复过程中断，最终形成DNA双链断裂。

总体而言，该研究结合遗传筛选、小鼠模型和体外生化实验，系统阐述了阿糖胞苷诱发小脑共济失调等神经毒性的分子机制，为开发低毒 AML 化疗策略提供了理论基础。

Nussenzweig 实验室博士后刘家程博士与前成员王东鹏博士（现中国科学院生物物理研究所研究员）为本论文的共同第一作者。实验室成员陈传远博士、Elsa Callen博士和赵永革博士，中国科学院分子细胞卓越创新中心孟飞龙研究员、吴薇研究员及其团队成员尚雅芳博士、博士研究生宋亚伟，以及约翰霍普金斯大学Yuan He教授，为本研究提供了重要帮助和支持。

王东鹏课题组主要致力于解析DNA损伤修复和表观遗传调控之间的互作，及其神经系统分化发育、可塑性及神经退行性疾病中对基因表达和细胞命运的调控作用。欢迎感兴趣的博士后加入。

详情见：http://ibp.cas.cn/rc/wdp/202411/t20241107_7435525.html

1.Mayer, R. J. et al. Intensive Postremission Chemotherapy in Adults with Acute Myeloid-Leukemia. New Engl J Med331, 896-903 (1994). https://doi.org:Doi 10.1056/Nejm199410063311402

2.Wu, W. et al. Neuronal enhancers are hotspots for DNA single-strand break repair. Nature593, 440-444 (2021). https://doi.org:10.1038/s41586-021-03468-5

3.Wang, D. P. et al. Active DNA demethylation promotes cell fate specification and the DNA damage response. Science378, 983-989 (2022). https://doi.org:10.1126/science.add9838